CN114061637B - 一种基于光纤瑞利散射谱相关性的激光器探测信号拼接及其拓展方法 - Google Patents
一种基于光纤瑞利散射谱相关性的激光器探测信号拼接及其拓展方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114061637B CN114061637B CN202010741108.1A CN202010741108A CN114061637B CN 114061637 B CN114061637 B CN 114061637B CN 202010741108 A CN202010741108 A CN 202010741108A CN 114061637 B CN114061637 B CN 114061637B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- laser
- optical fiber
- splicing
- rayleigh scattering
- fiber
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims abstract description 88
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 title claims abstract description 73
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 61
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 34
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 36
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 34
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 66
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 7
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 5
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 15
- LELOWRISYMNNSU-UHFFFAOYSA-N hydrogen cyanide Chemical compound N#C LELOWRISYMNNSU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 5
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 238000002168 optical frequency-domain reflectometry Methods 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 3
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 235000008694 Humulus lupulus Nutrition 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 210000001520 comb Anatomy 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000005305 interferometry Methods 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
- G01D5/35338—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using other arrangements than interferometer arrangements
- G01D5/35354—Sensor working in reflection
- G01D5/35358—Sensor working in reflection using backscattering to detect the measured quantity
- G01D5/35361—Sensor working in reflection using backscattering to detect the measured quantity using elastic backscattering to detect the measured quantity, e.g. using Rayleigh backscattering
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
- G01D5/35306—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement
- G01D5/35329—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using interferometer with two arms in transmission, e.g. Mach-Zender interferometer
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
- G01D5/35383—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using multiple sensor devices using multiplexing techniques
- G01D5/35396—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using multiple sensor devices using multiplexing techniques using other forms of multiplexing
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Optical Transform (AREA)
Abstract
本发明发明了一种基于光纤瑞利散射谱相关性的激光器探测信号拼接及其拓展方法，在单个激光器调谐范围较小时，通过多个激光器的复用来实现光学传感测量系统的大范围光学带宽访问，通过采用特征光纤段的瑞利散射谱的相关性确定拼接位置并对激光器探测信号进行拼接，本发明解决了在测量系统中多个激光器之间的激光器探测信号无法实现精确拼接复用的问题，实现了不同波长范围的激光器之间对测量信号的准确连续拼接，拓展了光源的带宽，提高了测量系统的测量性能。
Description
技术领域
本发明属于光学测量领域，尤其涉及一种基于光纤瑞利散射谱相关性的激光器探测信号拼接及其拓展方法。
背景技术
可调谐激光器可以实现在一定波长调谐范围内连续或步进进行光频或波长调谐的激光输出，在光学传感测量领域，若干重要的传感系统均采用可调谐激光器作为系统的光源，如(1)基于可调谐激光器的光纤光栅复用及物理量解调，也称为FBGA技术(陶辉等,基于FPGA的光纤布拉格光栅解调系统设计.仪表技术与传感器,2019(04):第61-64页.)，传感用若干光纤光栅具有分立不同的中心波长，将可调谐激光器输出的扫频光直接耦合进光纤光栅阵列，得到反射光谱后根据各光栅反射峰所对应的光波长实现物理量如温度或者应变的解调。要求激光器扫频范围覆盖所有光纤光栅带宽(2)光频域反射系统链路诊断(Ding,Z.,et al.,Compensation of laser frequency tuning nonlinearity of a long rangeOFDR using deskew filter.Opt Express,2013.21(3):p.3826-34.)。激光器扫频范围直接影响空间分辨力(3)光频域反射系统分布式传感(刘琨等,基于光频域反射技术的光纤连续分布式定位应变传感.中国激光,2015(05):第187-193页.)(4)调频连续波测距(许新科,激光扫频干涉绝对距离测量关键技术研究,2017,哈尔滨工业大学.)。这些技术探测得到的原始采样信号中，第一个为直接强度探测的反射信号，后三者为相干探测的干涉信号。他们对可调谐激光器的需求都是大带宽，一般要求几十nm，且调谐范围内光波长不能出现间断或者跳模等不连续的问题。
可调谐激光器的性能也对整体系统的各项参数指标产生了极大地影响，现有的可以实现连续宽范围调谐的激光器有外腔式激光器(如Wang,Y.,et al.,An Ultra-High-SMSR External-Cavity Diode Laser with a Wide Tunable Rangearound1550nm.Applied Sciences,2019.9(20):p.4390.)。但是，这类高性能的可调谐激光器不仅输出容易发生跳模，并且价格十分昂贵，从而导致了使用该激光器的测量设备造价成本居高不下。另外如分布式反馈激光器(DFB激光器)。垂直腔面反射激光器(VCSEL)半导体激光器可以通过外加电流或者温度调谐几个nm左右。但是较难进一步提升其调谐范围，使得无法满足测量系统对光源的需求。一种可能的办法就是使用多个激光器复用的方式来实现调谐范围的拓展，如DiLazaro,T.and G.Nehmetallah,Multi-terahertz frequencysweeps for high-resolution,frequency-modulated continuous wave ladar using adistributed feedback laser array.Optics Express,2017.25(3):p.2327，该方法实现不同光谱之间的拼接以达到光谱的连续是采用氰化氢分子气室等外部参考。但是氰化氢分子气室价格昂贵，并且有毒，同时基于此的拼接精度较差，使得基于此的光谱复用方法无法适用于某些场合。在专利一种基于光频梳技术的OFDR多路光纤传感系统及方法中，公开了采用光频率梳结合单边带建立了多个光波长段的激光器并将其同时注入到OFDR系统中的方法，但是多个激光器之间如何实现光谱的连续没有得到解决。本发明将介绍如何在单个激光器调谐范围较小时，通过多个激光器的复用来实现光学传感测量系统的大范围光学带宽访问，重点将解决激光器之间的准确连续拼接及其拓展方法。
发明内容
发明了一种基于光纤瑞利散射谱相关性的激光器探测信号拼接及其拓展方法，具体方法为：具有不同波长调谐范围的且相邻波长调谐范围具有重叠的若干激光器分别作为测量系统的信号源，激光器输出的光耦合进入具有测量功能的测量光路后输出干涉或反射信号，获取各个具有相邻波长调谐范围下的激光器探测信号，所述的相邻波长调谐范围的所述的激光器在波长调谐范围上具有重合区域；同时，激光器输出的光耦合进入光纤干涉仪，获取光纤干涉仪上各个相邻波长调谐范围下的光纤干涉仪输出时域信号，得到光纤上某一空间部分作为特征光纤段的各个相邻波长调谐范围下的瑞利散射光谱信号，形成各个相邻波长调谐范围下的特征光纤段的瑞利散射光谱信号；分析前一段与后一段激光调谐范围的特征光纤段的瑞利散射光谱信号在前后波长重叠区域的相关性并确定各个相邻波长调谐范围的拼接位置点，所述的前一段与后一段分别指各个相邻波长调谐范围每相邻两个之间的波长小的信号段和波长大的信号段；根据所确定的拼接位置点对各个相邻波长调谐范围下激光器探测信号进行拼接。
本发明的有益效果：实现了不同波长范围的激光器之间对测量信号的准确连续拼接，拓展了光源的带宽，提高了测量系统的测量性能。
附图说明
图1为基于多路激光器复用与拼接的测量系统基本框架示意图；
图2特征光纤段的瑞利散射光谱提取过程示意图；
图3为在频域上提取特征光纤段示意图；
图4为拼接位置确定方法示意图；
图5为激光器探测信号拼接示意图；
图6为光纤干涉仪示意图；
图7为基于直接强度探测的光纤光栅阵列测量示意图；
图8为基于相干干涉的分布式光纤应变或温度测量示意图；
图9为基于相干干涉的激光测距示意图；
图10为基于光频梳技术的多激光源构建示意图；
图11为一种分布式反馈阵列激光器结构示意图；
图12为基于分布式反馈阵列激光器的多激光源构建示意图。
图1中，12为第一激光源，13为第二激光源，14为第三激光源，20为多路激光器控制单元，11为多路激光器单元，15为合束耦合器，16为分束耦合器，17为光纤干涉仪，18为测量探测光路，7为第一光电探测器，8为第二光电探测器，19为采集单元，9为数据处理单元。
图2中，81为光纤干涉仪输出时域信号，82为光纤干涉仪输出频域信号，83为特征光纤段频域信号，84为特征光纤段瑞利散射光谱信号。
图3中，1为特征光纤段。
图4中，21前一段瑞利散射光谱信号，22为后谱搜索区域，23为前后光谱重叠区域，24后一段瑞利散射光谱信号，25为前一段局部光谱，26为多个后一段局部光谱。
图5中，35为前一段激光器探测信号，38为后一段激光器探测信号，39为截取与拼接后的激光器探测信号，36为前一段拼接位置对应的采样点位置，37为后一段拼接位置对应的采样点位置。
图6中，3为第一光纤耦合器，4为第一光纤环形器，5为第二光纤耦合器。
图7中，31为第二光纤环形器，33为传感光纤，34为若干光纤光栅。
图8中，41为第三光纤耦合器，43为第三光纤环形器，42为第四光纤耦合器，44为传感光纤段发生的应变或温度扰动，45为传感光纤段。
图9中，50为第五光纤耦合器，51为第四光纤环形器，55为第六光纤耦合器，52为准直镜，53为待测距离，54为被测物体。
图10中，62扫频发生器，61单边带调制器，60光频率梳激光器。
图11中，78为多模干涉耦合器，80为热电冷却器，81为热敏电阻，75为分布式反馈阵列激光器，77为具有间隔一定波长的若干个激光二极管，79为基底。
图12中，71为控制单元，72为电学通道切换单元，73为电流驱动单元，74为温度驱动单元。
具体实施方式
图1为基于多路激光器复用与拼接的测量系统基本框架示意图，多路激光器单元11由若干个激光源组成，这里只画出三个激光源，第一激光源12，第二激光源13和第三激光源14。多路激光器控制单元20用于控制多路激光器单元11中各个激光器的切换与驱动激光器进行波长调谐，使得多路激光器单元11各个激光源具有不同波长调谐范围且相邻波长调谐范围具有重叠。如第一激光源12波长调谐范围为1520nm到1525nm，第二激光源13波长调谐范围为1524nm到1529nm，第三激光源14波长调谐范围为1528nm到1533nm。多路激光器单元11输出的光进入到合束耦合器15后进入分束耦合器16，出射光一路进入光纤干涉仪17，光纤干涉仪17的干涉信号输出后进入第一光电探测器7得到光纤干涉仪信号，出射光另一路进入测量探测光路18，测量探测光路18的反射光或干涉光信号进入第二光电探测器8得到激光器探测信号，光纤干涉仪信号和激光器探测信号同步被采集单元19采集，采集后的信号被数据处理单元9进行数据处理和解调。
多路激光器单元11中的不同的激光源可以是外腔激光器，半导体激光器，或通过电学调制器调谐的光频率梳，或其他具有分立波长调谐范围的激光源。当其为光频率梳时，如图10所示，光频率梳激光器10本身输出为具有一定光频间隔的激光，光频梳激光器10产生等频率间隔Δf＝1000GHz的频谱为离散谱线的脉冲光，扫频发生器62发出频率大于Δf的线性扫频的电信号，其扫频范围大于光频梳输出信号谱线间隔，两路信号通过单边带调制器61调制后生成多段波长同时扫频的扫频光。多路激光器单元11还可以由分布式反馈阵列激光器75来实现，(马丽,朱洪亮,梁松,王宝军,张灿,赵玲娟,边静,陈明华.DFB激光器阵列与MMI耦合器、SOA的单片集成.光电子.激光,2013,24(03):424-428.)相较于传统的分布式反馈激光器，分布式反馈阵列激光器在结构上一般由在波长上具有一定间隔的多个激光二极管与一个多模干涉耦合器(MMI)以及半导体光放大器(SOA)构成。在调制方式上通常采用热调谐实现不同二极管的波长调谐，以此覆盖整个通信C波段。图11为一种典型分布式反馈阵列激光器结构示意图。通常情况下，分布式反馈阵列激光器由一块集成多个具有不同波长的激光二极管77和一个用于合束的多模干涉耦合器78构成，同时，分布式反馈阵列激光器75上具有可以用电流控制的用于加热或者制冷的热电冷却器80以及阻值随温度变化而变化的热敏电阻81。以日本FITEL公司的D66型号分布式反馈阵列激光器来说，单片上集成了12个波长间隔为3.5nm的激光二极管。分布式反馈阵列激光器中激光二极管的驱动电流和温度的变化均会导致波长变化，因此外加驱动电流和温度变化均可以对波长进行调谐。在其应用中通常保持驱动电流恒定而施加连续变化的温度来对每个二极管进行调谐以扫过超过3.5nm的波长范围。其控制方法如图12所示，图12中控制单元71控制温度驱动单元74用于为热电冷却器80提供电流信号，作用结果表现为分布式反馈激光器阵列75施加了不同温度。电学通道切换单元72用于切换分布式反馈阵列激光器75内具有间隔一定波长的若干个激光二极管77。这样每个激光管在温度的驱动下实现了波长的调谐，并保证波长相邻的激光二极管调谐范围存在重叠。
测量探测光路18为可以实现特定测量功能的使用调谐激光作为光源的光路结构。如基于图7所示的基于直接强度探测的光纤光栅阵列测量的光路结构，图8所示的基于相干干涉的分布式光纤应变或温度测量的光路结构，图9所示的基于相干干涉的激光测距的光路结构。这三项分别对应背景技术所述的(1)(3)(4)的基本结构，具体功能实现可参考背景技术所引文献。对基于直接强度探测的光纤光栅阵列测量而言，若干光纤光栅34具有不同的中心波长。对于图8做出一些说明，由于图8所示的测量光路结构也是光纤干涉仪，所以特征光纤段可以选在和传感光纤段45位置不同的测量光路结构的测量臂上(图8的左侧虚线框)，此时，光纤干涉仪17在系统中可以省略。
光纤干涉仪17可以由图6所示光路结构实现，光纤干涉仪可以为马赫曾德结构，也可为其他结构，干涉仪由测量臂和参考臂组成，在第一光纤环形器4后的光纤作为干涉仪测量臂上，光纤为普通单模光纤或者瑞利散射增强的光纤，在其上选取一段作为特征光纤段1。为了保证拼接信号的准确性，特征光纤段1需要避免外界温度或者振动扰动，可以将光纤干涉仪17或者特征光纤段1放置于控温隔振容器内。
多路激光器单元11输出的激光耦合进入光纤干涉仪17后产生干涉得到各个相邻波长调谐范围下光纤干涉仪输出时域信号。如图2，对各个相邻波长调谐范围下光纤干涉仪输出时域信号81做傅里叶变换(FFT)得到各个相邻波长调谐范围下的光纤干涉仪输出频域信号82；对光纤干涉仪输出频域信号82采用窗函数选取具有一定长度的特征光纤段得到各个相邻波长调谐范围下的特征光纤段频域信号83，对各个相邻波长调谐范围下的特征光纤段频域信号83进行逆傅里叶变换(iFFT)得到各个相邻波长调谐范围下的特征光纤段的瑞利散射光谱信号84。图3为在频域上提取特征光纤段示意图，频域上的频率和光纤干涉仪17的测量臂上的光纤的瑞利散射的位置成线性关系。
以波长相邻的两个激光源输出信号为例说明如何确定拼接位置以及对激光器探测信号做拼接。前一段与后一段分别指各个相邻波长调谐范围每相邻两个之间的波长小的信号段和波长大的信号段。如图4所示，23为前一段瑞利散射光谱信号21和后一段瑞利散射光谱信号24在波长上的重合区域，首先对前一段瑞利散射光谱信号21在前后光谱重叠区域23区域内确定一段固定宽度的谱段作为前一段局部光谱25，然后在后一段瑞利散射光谱信号24在前后光谱重叠区域23区域内遍历所有具有和前一段局部光谱25谱宽相等的谱段作为多个后一段局部光谱26，然后将多个后一段局部光谱26逐个和前一段局部光谱25作互相关运算求取互相关系数(互相关系数可以用信号1、信号2的协方差除以信号1的标准差和信号2的标准差得到)，找到互相关系数取最值时的后一段局部光谱的位置。由于光纤中瑞利散射光谱是光纤的稳定唯一特征，其访问的不同波长范围下的瑞利散射光谱存在区别，但是对相同访问波长范围而言，瑞利散射光谱是相同的(Du Y,Jothibasu S,Zhuang Y,etal.Unclonable Optical Fibr Identification Based on Rayleigh BackscatteringSignatures[J].Journal of Lightwave Technology,2017,PP(21):1-1.)，因此可以根据该特性，前一段局部光谱25和互相关系数取最值时的后一段局部光谱由于具有最大的相关性和相似性，其所对应的光谱波长范围应该是一致的，而拼接要求的是前后段信号在光谱上具有连续性，因此可以根据该位置进行激光器探测信号的拼接。如图5所示，将互相关系数取最值的后一段局部光谱的起点对应的采样点位置37作为相邻波长调谐范围下激光器探测信号的后拼接位置，前一段局部光谱25的起始位置对应的采样点位置36作为各个具有相邻波长调谐范围下的激光器探测信号的前拼接位置；对前一段激光器探测信号35的前拼接位置之前的光信号部分和后一段激光器探测信号38的后拼接位置之后的信号部分拼合在一起作为相邻激光器探测信号的截取与拼接后的激光器探测信号39，对相邻的各个激光器探测信号执行上述操作以获得所有相邻波长调谐范围的激光器探测信号的拼接信号作为全拼接测量信号。该全拼接测量信号为光谱范围拓展的信号，对于实际的测量系统而言，将会提高测量系统的测量性能。
本发明还可通过以下公开的示例实现：
1.一种基于光纤瑞利散射谱相关性的激光器探测信号拼接及其拓展方法为：具有不同波长调谐范围的且相邻波长调谐范围具有重叠的若干激光器分别作为测量系统的信号源，激光器输出的光耦合进入具有测量功能的测量光路后输出干涉或反射信号，获取各个具有相邻波长调谐范围下的激光器探测信号，所述的相邻波长调谐范围的所述的激光器在波长调谐范围上具有重合区域；同时，激光器输出的光耦合进入光纤干涉仪，获取光纤干涉仪上各个相邻波长调谐范围下的光纤干涉仪输出时域信号，得到光纤上某一空间部分作为特征光纤段的各个相邻波长调谐范围下的瑞利散射光谱信号，形成各个相邻波长调谐范围下的特征光纤段的瑞利散射光谱信号；分析前一段与后一段激光调谐范围的特征光纤段的瑞利散射光谱信号在前后波长重叠区域的相关性并确定各个相邻波长调谐范围的拼接位置点，所述的前一段与后一段分别指各个相邻波长调谐范围每相邻两个之间的波长小的信号段和波长大的信号段；根据所确定的拼接位置点对各个相邻波长调谐范围下激光器探测信号进行拼接。
2.根据示例1所述的方法，其中所述得到光纤上某一空间部分作为特征光纤段的各个相邻波长调谐范围下的特征光纤段的瑞利散射光谱信号，形成各个相邻波长调谐范围下的特征光纤段的瑞利散射光谱信号，包括将所述激光器输出的光耦合进入所述的光纤干涉仪，所述光纤干涉仪由测量臂和参考臂组成，经过耦合器分光并合束后产生干涉得到各个相邻波长调谐范围下光纤干涉仪输出时域信号，在测量臂上包括光纤，所述光纤为普通单模光纤或者瑞利散射增强的光纤；对所述的各个相邻波长调谐范围下光纤干涉仪输出时域信号做傅里叶变换得到各个相邻波长调谐范围下的光纤干涉仪输出频域信号；对所述的光纤干涉仪输出频域信号采用窗函数选取具有一定长度的特征光纤段得到各个相邻波长调谐范围下的特征光纤段频域信号，对所述的各个相邻波长调谐范围下的特征光纤段频域信号进行逆傅里叶变换得到所述各个相邻波长调谐范围下的特征光纤段的瑞利散射光谱信号。
3.根据示例1或示例2所述的方法，其中所述的位于所述光纤干涉仪上的特征光纤段可以位于所述具有测量功能的测量光路中干涉结构的测量臂上，也可以位于单独的激光器输出耦合进的另一个额外的干涉仪的测量臂上。
4.根据示例1或示例2所述的方法，其中所述的频域上的各个相邻波长调谐范围下的频域信号的频率和所述光纤干涉仪的所述测量臂上的所述光纤的瑞利散射的位置成线性关系。
5.根据示例1或示例2所述的方法，其中所述的特征光纤段不受外界温度或者振动扰动；
6.根据示例1所述的方法，其中所述的分析前一段与后一段激光调谐范围的特征光纤段的瑞利散射光谱信号在前后波长重叠区域的相关性并确定各个相邻波长调谐范围的拼接位置点，其方法包括确定所述前一段瑞利散射光谱信号在所述前后波长重叠区域中的前局部子段，在所述后一段瑞利散射光谱信号在波长重叠区域中遍历确定和所述前局部子段具有相同波长长度的所有后局部子段，将所述的前局部子段与所有后局部子段分别作互相关运算，找到互相关结果取最值时所述的后局部子段的位置。
7.根据示例1所述的方法，其中所述根据所确定的拼接位置点对各个相邻波长调谐范围下激光器探测信号进行拼接的方法包括，互相关结果取最值的所述的后局部子段的起点对应的采样位置作为所述各个相邻波长调谐范围下激光器探测信号的后拼接位置，所述的前局部子段的起始位置对应的采样位置作为所述各个具有相邻波长调谐范围下的激光器探测信号的前拼接位置；对所述前一段激光器探测信号的所述前拼接位置之前的光信号部分和所述后一段激光器探测信号的所述后拼接位置之后的信号部分拼合在一起作为相邻激光器探测信号的拼接信号，对相邻的各个激光器探测信号执行上述操作以获得所有相邻波长调谐范围的激光器探测信号的拼接信号作为全拼接测量信号。
8.根据示例1所述的方法，其中所述具有测量功能的测量光路的干涉或反射信号携带了待测量的信息，所述待测量的信息包括温度，或应变，或距离。
9.根据示例1所述的方法，其中所述的其中所述的激光器包括外腔激光器或半导体激光器或通过电学调制器调谐的光频率梳，或其他具有分立波长调谐范围的激光源。
Claims (9)
1.一种基于光纤瑞利散射谱相关性的激光器探测信号拼接及其拓展方法，其特征在于：具有不同波长调谐范围的且相邻波长调谐范围具有重叠的若干激光器分别作为测量系统的信号源，激光器输出的光耦合进入具有测量功能的测量光路后输出干涉或反射信号，获取各个具有相邻波长调谐范围下的激光器探测信号，所述的相邻波长调谐范围的所述的激光器在波长调谐范围上具有重合区域；同时，激光器输出的光耦合进入光纤干涉仪，获取光纤干涉仪上各个相邻波长调谐范围下的光纤干涉仪输出时域信号，得到光纤上某一空间部分作为特征光纤段的各个相邻波长调谐范围下的瑞利散射光谱信号，形成各个相邻波长调谐范围下的特征光纤段的瑞利散射光谱信号；分析前一段与后一段激光调谐范围的特征光纤段的瑞利散射光谱信号在前后波长重叠区域的相关性并确定各个相邻波长调谐范围的拼接位置点，所述的前一段与后一段分别指各个相邻波长调谐范围每相邻两个之间的波长小的信号段和波长大的信号段；根据所确定的拼接位置点对各个相邻波长调谐范围下激光器探测信号进行拼接。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤瑞利散射谱相关性的激光器探测信号拼接及其拓展方法，其中所述得到光纤上某一空间部分作为特征光纤段的各个相邻波长调谐范围下的特征光纤段的瑞利散射光谱信号，形成各个相邻波长调谐范围下的特征光纤段的瑞利散射光谱信号，包括将所述激光器输出的光耦合进入所述的光纤干涉仪，所述光纤干涉仪由测量臂和参考臂组成，经过耦合器分光并合束后产生干涉得到各个相邻波长调谐范围下光纤干涉仪输出时域信号，在测量臂上包括光纤，所述光纤为普通单模光纤或者瑞利散射增强的光纤；对所述的各个相邻波长调谐范围下光纤干涉仪输出时域信号做傅里叶变换得到各个相邻波长调谐范围下的光纤干涉仪输出频域信号；对所述的光纤干涉仪输出频域信号采用窗函数选取具有一定长度的特征光纤段得到各个相邻波长调谐范围下的特征光纤段频域信号，对所述的各个相邻波长调谐范围下的特征光纤段频域信号进行逆傅里叶变换得到所述各个相邻波长调谐范围下的特征光纤段的瑞利散射光谱信号。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的一种基于光纤瑞利散射谱相关性的激光器探测信号拼接及其拓展方法，其中所述的特征光纤段可以位于所述具有测量功能的测量光路中干涉结构的测量臂上，也可以位于单独的激光器输出耦合进的另一个额外的干涉仪的测量臂上。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的一种基于光纤瑞利散射谱相关性的激光器探测信号拼接及其拓展方法，其中所述的各个相邻波长调谐范围下的特征光纤段频域信号的频率和所述光纤干涉仪的所述测量臂上的所述光纤的瑞利散射的位置成线性关系。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的一种基于光纤瑞利散射谱相关性的激光器探测信号拼接及其拓展方法，其中所述的特征光纤段不受外界温度或者振动扰动。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤瑞利散射谱相关性的激光器探测信号拼接及其拓展方法，其中所述的分析前一段与后一段激光调谐范围的特征光纤段的瑞利散射光谱信号在前后波长重叠区域的相关性并确定各个相邻波长调谐范围的拼接位置点，其方法包括确定所述前一段瑞利散射光谱信号在所述前后波长重叠区域中的前局部子段，在所述后一段瑞利散射光谱信号在波长重叠区域中遍历确定和所述前局部子段具有相同波长长度的所有后局部子段，将所述的前局部子段与所有后局部子段分别作互相关运算，找到互相关结果取最值时所述的后局部子段的位置。
7.根据权利要求6所述的一种基于光纤瑞利散射谱相关性的激光器探测信号拼接及其拓展方法，其中所述根据所确定的拼接位置点对各个相邻波长调谐范围下激光器探测信号进行拼接的方法包括，互相关结果取最值的所述的后局部子段的起点对应的采样位置作为所述各个相邻波长调谐范围下激光器探测信号的后拼接位置，所述的前局部子段的起始位置对应的采样位置作为所述各个具有相邻波长调谐范围下的激光器探测信号的前拼接位置；对所述前一段激光器探测信号的所述前拼接位置之前的光信号部分和所述后一段激光器探测信号的所述后拼接位置之后的信号部分拼合在一起作为相邻激光器探测信号的拼接信号，对相邻的各个激光器探测信号执行上述操作以获得所有相邻波长调谐范围的激光器探测信号的拼接信号作为全拼接测量信号。
8.根据权利要求1所述的一种基于光纤瑞利散射谱相关性的激光器探测信号拼接及其拓展方法，其中所述具有测量功能的测量光路的干涉或反射信号携带了待测量的信息，所述待测量的信息包括温度，或应变，或距离。
9.根据权利要求1所述的一种基于光纤瑞利散射谱相关性的激光器探测信号拼接及其拓展方法，其中所述的激光器包括外腔激光器或半导体激光器或通过电学调制器调谐的光频率梳，或其他具有分立波长调谐范围的激光源。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010741108.1A CN114061637B (zh) | 2020-07-29 | 2020-07-29 | 一种基于光纤瑞利散射谱相关性的激光器探测信号拼接及其拓展方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010741108.1A CN114061637B (zh) | 2020-07-29 | 2020-07-29 | 一种基于光纤瑞利散射谱相关性的激光器探测信号拼接及其拓展方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114061637A CN114061637A (zh) | 2022-02-18 |
| CN114061637B true CN114061637B (zh) | 2024-03-22 |
Family
ID=80226677
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010741108.1A Active CN114061637B (zh) | 2020-07-29 | 2020-07-29 | 一种基于光纤瑞利散射谱相关性的激光器探测信号拼接及其拓展方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114061637B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103954226A (zh) * | 2014-04-03 | 2014-07-30 | 华南理工大学 | 长距离分布式大测量范围快速响应光纤动态应变传感装置 |
| CN104990620A (zh) * | 2015-07-03 | 2015-10-21 | 南京大学 | 基于布拉格光纤光栅阵列的相敏光时域反射装置及方法 |
| CN206160957U (zh) * | 2016-11-02 | 2017-05-10 | 广州静阳光电科技有限公司 | 一种高性能光纤动态应变传感装置 |
| CN109186644A (zh) * | 2018-08-29 | 2019-01-11 | 北京航天控制仪器研究所 | 光谱拼接光频域反射型分布式光纤传感器及信号解调方法 |
| CN110160572A (zh) * | 2019-07-08 | 2019-08-23 | 山东省科学院激光研究所 | 基于艾赫兹超快脉冲扫描的高性能分布式光纤传感系统 |
| CN110375800A (zh) * | 2019-06-03 | 2019-10-25 | 太原理工大学 | 一种基于超连续谱布里渊光时域分析器的传感装置及方法 |
-
2020
- 2020-07-29 CN CN202010741108.1A patent/CN114061637B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103954226A (zh) * | 2014-04-03 | 2014-07-30 | 华南理工大学 | 长距离分布式大测量范围快速响应光纤动态应变传感装置 |
| CN104990620A (zh) * | 2015-07-03 | 2015-10-21 | 南京大学 | 基于布拉格光纤光栅阵列的相敏光时域反射装置及方法 |
| CN206160957U (zh) * | 2016-11-02 | 2017-05-10 | 广州静阳光电科技有限公司 | 一种高性能光纤动态应变传感装置 |
| CN109186644A (zh) * | 2018-08-29 | 2019-01-11 | 北京航天控制仪器研究所 | 光谱拼接光频域反射型分布式光纤传感器及信号解调方法 |
| CN110375800A (zh) * | 2019-06-03 | 2019-10-25 | 太原理工大学 | 一种基于超连续谱布里渊光时域分析器的传感装置及方法 |
| CN110160572A (zh) * | 2019-07-08 | 2019-08-23 | 山东省科学院激光研究所 | 基于艾赫兹超快脉冲扫描的高性能分布式光纤传感系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114061637A (zh) | 2022-02-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9823098B2 (en) | Apparatus for interrogating distributed optical fibre sensors using a stimulated brillouin scattering optical frequency-domain interferometer | |
| US5341205A (en) | Method for characterization of optical waveguide devices using partial coherence interferometry | |
| US8873066B2 (en) | System and method for improved resolution, higher scan speeds and reduced processing time in scans involving swept-wavelength interferometry | |
| US5721615A (en) | Sensor system for measurement of temperature or strain | |
| US8477296B2 (en) | Opto-electronic signal processing methods, systems, and apparatus for optical sensor interrogation | |
| JP3820411B2 (ja) | 検出装置、光路長測定装置、光学部材評価方法、温度変化検出方法 | |
| CN110646805B (zh) | 一种基于虚拟扫频光源的调频连续波激光测距系统 | |
| US20230349760A1 (en) | Device and method for optical spectrum measurement | |
| CN105806374A (zh) | 一种光纤光栅波长的解调方法 | |
| US20120174677A1 (en) | Optical method and device for a spatially resolved measurement of mechanical parameters, in particular mechanical vibrations by means of glass fibers | |
| JP6628030B2 (ja) | 距離測定装置及びその方法 | |
| Badar et al. | Self-correction of nonlinear sweep of tunable laser source in OFDR | |
| Tkachenko et al. | A coherent optical frequency-domain reflectometer based on a self-sweeping fiber laser for sensing applications | |
| CN114061637B (zh) | 一种基于光纤瑞利散射谱相关性的激光器探测信号拼接及其拓展方法 | |
| US6587190B2 (en) | System and method for measuring chromatic dispersion in optical fiber | |
| US11162821B2 (en) | Fibre optic sensing device | |
| CN112082584B (zh) | 基于激光器调谐控制的光纤分布式物理量测量方法、装置及系统 | |
| CN113670352B (zh) | 低成本准分布式物理量测量方法，装置及系统 | |
| Tkachenko et al. | Coherent Optical Frequency Reflectometry Based on a Fiber Self-Scanning Laser: Current Status and Development Prospects | |
| US20200081319A1 (en) | Optical system | |
| Hirth et al. | Tunable laser thin film interrogation | |
| JP2002509612A (ja) | 波長測定システム | |
| JP7420140B2 (ja) | 波長掃引光測定システム | |
| JPH06129916A (ja) | 温度測定法 | |
| KR100947731B1 (ko) | 스펙트럴 간섭계를 이용한 광섬유 및 광도파로의 색분산측정장치 및 색분산 측정방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |